离心泵非稳定工况流动特性

离心泵具有扬程高的特点，在石油化工、航空航天和汽车制造等流程工业中应用十分广泛，其在非稳定工况下的性能对于整个设备的安全稳定运行至关重要。在今后一段时期内，都将是研究的热点和重点。本书主要研究了离心泵在非稳定工况下（包括突然启动、断电停机、快速调节工况以及快速调节转速）的瞬态水力外特性演变规律以及对应的内部流场的时空演化机理，提出了一种描述非稳定工况下瞬态理论性能的广义欧拉方程式，数值计算了离心泵开机过程中输送不同介质时的瞬态性能差别，试验获得了具有不同结构形式离心泵的启停瞬态性能。本书可作为流体机械教学和科研人员的参考书，对于充分掌握各类流体机械（包括泵、阀、水轮机、风机、压缩机、流量计、风力机等）在非稳定工况下的性能以及作用机理具有较好的借鉴价值和参考作用。

张玉良，男，1978年10月生，山东潍坊人，工学博士，副教授。主要从事流体力学在离心泵中的应用研究，针对各类流体机械开展性能预测、优化设计、内流计算等研究工作。先后完成各类省部级以上项目10余项。以靠前作者在靠前外高水平学术期刊上发表论文30余篇，其中SCI，EI收录20余篇。获国家授权发明专利2项。担任多个靠前、靠前期刊审稿人，受聘为浙江省空压机及气动工具标准化技术委员会委员。
朱祖超，男，浙江苍南人，1966年3月出生，工学博士，博士后，二级教授，博士生导师，主要从事流体输送技术研究。作为第 一完成人获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步二等奖4项；作为第二完成人获省部级科技进步一等奖1项和二等奖2项。入选教育部新世纪人才培养计划，获教育部霍英东教育基金会第八届青年教师奖（研究类）、浙江省有突出贡献的中青年科技人员、浙江省151人才工程重点资助人员和浙江省优 秀博士后等荣誉。承担各类项目40多项，发表论文100多篇，其中SCI、EI收录50多篇。

前言
第一章绪论1
第一节概述1
第二节两类瞬态流动3
一、稳定工况下的瞬态特性3
二、非稳定工况下的瞬态特性4
第三节非稳定工况研究现状4
一、国外研究现状4
二、国内研究现状7
第二章离心泵非稳定工况数值计算方法14
第一节动网格方法14
一、基本思想14
二、流体动力学基本方程14
三、开机过程二维数值计算17
第二节滑移网格方法19
一、基本思想19
二、开机过程二维数值计算20
第三节非稳定工况求解策略21
一、单台泵22
二、整个循环管路系统22
第三章离心泵非稳定工况液相数值计算23
第一节离心泵非稳定工况数值模拟23
一、离心泵的闭阀开机过程23
二、离心泵的快速变工况过程29
第二节封闭循环管路系统中离心泵停机过程计算36
一、三维封闭循环管路系统36
二、外特性37
三、无量纲分析39
四、流场分析40
第三节不封闭循环管路系统中离心泵开机过程计算42
一、三维不封闭循环管路系统42
二、数值方法及验证43
三、外特性44
四、无量纲分析48
五、流场分析49
第四节离心泵转速波动过程数值计算51
一、转速波动特性51
二、外特性51
三、无量纲分析53
四、流场分析54
第四章多级离心泵开机与停机过程数值计算55
第一节计算模型55
第二节计算方法56
一、开机过程56
二、停机过程57
第三节开机过程57
一、外特性57
二、无量纲扬程60
三、内流特性61
第四节停机过程63
一、压力特性63
二、湍流特性64
三、叶轮轴向力和叶轮功率66
四、无量纲分析67
五、流场特性67
第五章气液两相流开机过程数值计算71
第一节计算模型与方法71
第二节多相流模型72
第三节结果分析73
一、性能预测73
二、内流场特性75
第六章固液两相流开机过程数值计算78
第一节多相流模型78
第二节固相属性对水力性能的影响79
一、低比转速离心泵模型79
二、中比转速离心泵模型84
第三节开机结果分析96
一、低比转速离心泵快速开机96
二、高比转速离心泵缓慢开机101
第七章离心泵非稳定工况下性能理论预测108
第一节广义欧拉方程式108
一、方程式推导108
二、定性分析112
第二节开机过程定量计算113
一、低比转速离心泵快速开机114
二、高比转速离心泵缓慢开机115
三、叶片影响系数116
第三节快速变工况过程117
一、定性分析117
二、定量计算117
第四节离心泵变工况过程中的滑移因子118
一、预测方法的理论推导119
二、模型验证121
第八章离心泵开机与停机过程试验127
第一节试验系统127
第二节试验方案与步骤130
第三节试验泵模型130
第四节普通闭式叶轮离心泵开机试验132
一、外特性132
二、无量纲分析135
第五节普通闭式叶轮离心泵停机试验136
一、转速136
二、流量137
三、扬程和压力138
四、转矩与轴功率139
五、讨论139
第六节复合叶轮离心泵开机试验141
一、外特性141
二、无量纲分析143
第七节复合叶轮离心泵停机试验144
一、转速144
二、流量145
三、扬程和压力146
四、转矩与轴功率147
第八节开式叶轮离心泵开机试验148
一、外特性148
二、无量纲分析151
第九节开式叶轮离心泵停机试验151
一、转速152
二、流量153
三、扬程和压力153
四、转矩与轴功率154
第十节开式叶轮离心泵变频试验155
一、离心泵机组155
二、测试方案156
三、开机试验157
四、停机试验162
参考文献169

离心泵具有扬程高的特点,是石油化工、航空航天、深海矿物水力提升、海水淡化等行业必不可少的流体输送设备。通常情况下,离心泵在某一个相对稳定的工况下长时间运行,但在开机、停机、快速调阀、转速波动等非稳定工况下,各性能参数(转速、流量、扬程等)在短时间内会发生极其剧烈的变化,泵内部流体处于非稳定的瞬态流动状态,在泵内极易产生回流、二次流、分离和漩涡等非稳定的流动结构,加剧了流动不稳定性,极易引起巨大的压力脉动和冲击,导致泵、管道以及连接设备的破坏。此外,若在非稳定工况下出现轴功率过载现象,将会对局部电路、电源产生显著的电流冲击,从而造成电路及其负载设备的损毁。可见,提高离心泵在非稳定工况下的工作可靠性至关重要。而非稳定工况下内部流动的非定常特性是引起上述问题的根本原因。    本书围绕具有不同结构形式叶轮的离心泵在各类非稳定工况下的水力性能分别开展了理论分析、数值计算与试验研究,提出了一种描述非稳定工况下瞬态理论性能的广义欧拉方程式,建立了一种描述离心泵在变工况过程中滑移因子的预测方法,数值计算了离心泵在开机过程中输送不同介质时的瞬态性能差别,试验获得了具有不同结构形式离心泵的启停瞬态水力性能。本书希望为提高离心泵非稳定工况下的瞬态水力性能和可靠运行提供理论支撑。    本书在成书过程中,得到了浙江大学、浙江理工大学等高校教师和学生的大力支持,同时也得到了浙江天德泵业有限公司、浙江省机电设计研究院有限公司等单位在模型加工和试验测试方面提供的帮助。在此作者一并表示衷心的感谢!本书受到自然科学基金重点项目(No.51536008)和浙江省科技计划项目(No.2015C31129)的资助。    对于书中存在的缺点和错误,敬请读者批评指正。    张玉良 朱祖超